Высоковольтный выключатель постоянного тока
Высоковольтные выключатели постоянного тока: функциональность, проблемы и решения
Высоковольтный выключатель постоянного тока (HVDC) - это специализированное коммутационное устройство, предназначенное для прерывания потока аномального постоянного тока в электрической цепи. При возникновении неисправности в системе механические контакты выключателя размыкаются, эффективно открывая цепь. Однако прерывание цепи в системе HVDC является более сложной задачей по сравнению с ее переменным током (AC) аналогом. Это обусловлено тем, что ток в цепи HVDC течет в одном направлении и не проходит естественно через нулевые значения тока, которые являются критически важными для гашения дуги в выключателях переменного тока.
Основная функция высоковольтного выключателя постоянного тока заключается в прерывании потоков высокого напряжения постоянного тока в энергосистеме. В отличие от этого, выключатели переменного тока могут легко прерывать дугу, когда ток достигает своего естественного нулевого значения в форме волны переменного тока. В этот момент нулевого тока энергия, которую необходимо прервать, также равна нулю, что позволяет зазору между контактами восстановить диэлектрическую прочность и выдержать естественное переходное восстанавливающееся напряжение.
В случае высоковольтных выключателей постоянного тока ситуация гораздо сложнее. Поскольку форма волны постоянного тока не имеет естественных нулевых значений тока, принудительное прерывание дуги может привести к генерации чрезвычайно высоких переходных восстанавливающихся напряжений. Без надлежащего прерывания дуги существует риск повторного воспламенения, которое в конечном итоге может привести к разрушению контактов выключателя. При проектировании высоковольтных выключателей постоянного тока инженеры должны решить три ключевые проблемы:
Создание искусственного нулевого значения тока: это необходимо для гашения дуги, так как отсутствие естественных нулевых значений тока в постоянном токе делает его трудным для прерывания дуги.
Предотвращение повторного воспламенения дуги: после прерывания дуги необходимо принять меры, чтобы предотвратить ее повторное воспламенение, что может вызвать повреждение выключателя и нарушение работы системы.
Рассеивание накопленной энергии: энергия, накопленная в компонентах системы, должна быть безопасно рассеяна, чтобы избежать потенциальных опасностей.
Для преодоления отсутствия естественных нулевых значений тока высоковольтные выключатели постоянного тока используют принцип создания искусственных нулевых значений тока для гашения дуги. Один из распространенных подходов включает введение параллельной L-C (индуктивность-емкость) цепи. Когда эта цепь активируется, она вызывает колебания тока дуги. Эти колебания интенсивны и создают множество искусственных нулевых значений тока. Выключатель затем гасит дугу в одной из этих точек искусственного нулевого значения тока. Для того чтобы этот метод был эффективным, амплитуда тока колебаний должна превышать прямой ток, который необходимо прервать.
Более детальная реализация включает подключение резонансной цепи, состоящей из индуктивности (L) и конденсатора (C), через основной контакт (M) обычного выключателя постоянного тока через вспомогательный контакт (S1). Кроме того, резистор (R) подключен через контакт (S2). В нормальных условиях работы основной контакт (M) и зарядный контакт (S2) остаются замкнутыми. Конденсатор (C) заряжается до линейного напряжения через высокоомный резистор (R). Тем временем контакт (S1) остается открытым, с линейным напряжением на нем. Эта схема создает необходимые условия для прерывания постоянного тока при возникновении неисправности путем генерации искусственных нулевых значений тока и управления связанными с этим электрическими процессами.
Когда дело доходит до прерывания основного тока Id, механизм управления инициирует последовательность действий. Сначала он открывает контакт S2 и одновременно закрывает контакт S1. Эта конфигурация запускает разряд конденсатора C через индуктивность L, основной контакт M и вспомогательный контакт S1. В результате устанавливается колебательный ток, как показано на рисунке ниже. Этот колебательный ток генерирует искусственные нулевые значения тока, которые критически важны для правильной работы выключателя. Основной контакт M выключателя затем открывается точно в одной из этих точек искусственного нулевого значения тока. После успешного прерывания тока основным контактом M контакт S1 открывается, а контакт S2 закрывается, восстанавливая систему для возможных будущих операций и обеспечивая целостность процесса прерывания цепи HVDC.
Альтернативный метод прерывания основного постоянного тока
Альтернативный подход к прерыванию основного постоянного тока в системе высоковольтного постоянного тока (HVDC) включает перенаправление тока на конденсатор, что эффективно снижает величину тока, который необходимо прервать выключателям. Этот метод показан на рисунке ниже, и он начинается с конденсатора C, который изначально находится в незаряженном состоянии.
Когда основной контакт M выключателя начинает открываться, происходит важное событие: основной ток цепи, который ранее тек через основной контакт M, перенаправляется и начинает течь в конденсатор C. В результате этого перенаправления нагрузка тока, которую основные контакты M должны выдерживать во время процесса прерывания, значительно уменьшается. Это снижение величины тока облегчает нагрузку на выключатель, делая процесс прерывания более управляемым и менее вероятным, что вызовет повреждение или отказ.
Помимо роли конденсатора в перенаправлении тока, нелинейный резистор R также является важным компонентом этой системы. Нелинейный резистор R играет важную роль в поглощении энергии, связанной с током, без существенного увеличения напряжения на основном контакте M. Эффективно рассеивая энергию, нелинейный резистор помогает поддерживать целостность выключателя и всей электрической системы, обеспечивая, чтобы уровни напряжения оставались в допустимых пределах во время процесса прерывания тока. Координированная работа конденсатора C и нелинейного резистора R предоставляет эффективный и надежный метод прерывания основного постоянного тока в системе HVDC.
Скорость нарастания восстанавливающегося напряжения на M выражается как
В выключателях постоянного тока, которые полагаются на колебательные токи для прерывания потока, проблема предотвращения повторного воспламенения особенно серьезна. Это связано с крайне коротким временем, в течение которого ток прерывается или "обрезается". Когда ток быстро прерывается за столь короткий промежуток времени, это генерирует крутой и внезапный скачок восстанавливающегося напряжения на клеммах выключателя. Это высокое, быстро нарастающее напряжение представляет значительную угрозу целостности выключателя. Чтобы обеспечить надежную работу, выключатель должен быть спроектирован с достаточной диэлектрической прочностью и способностью выдерживать напряжение, чтобы выдержать это интенсивное восстанавливающееся напряжение без повторного воспламенения, которое может привести к повреждению, электрическому пробою и сбоям системы.
